FPGA原理与结构——RAM IP核的使用与测试

目录

一、前言

二、RAM IP核定制

1、RAM IP核

step1 打开vivado工程，点击左侧栏中的IP Catalog

step2 在搜索栏搜索RAM，找到Block Memory Generator IP核：

2、IP核定制

step3 Baisc界面定制

step4 端口定制

step5 Other Options

step6 Summary

3、IP核例化

step7 例化

三、IP核测试

一、前言

        本文介绍Block Memory Generator v8.4 IP核的具体使用与例化，在学习一个IP核的使用之前，首先需要对于IP核的具体参数和原理有一个基本的了解，具体可以参考：

FPGA原理与结构——块RAM（Block RAM,BRAM）https://blog.csdn.net/apple_53311083/article/details/132253916?spm=1001.2014.3001.5501        本文讲述了这个IP核使用的底层资源BRAM。

FPGA原理与结构——RAM IP核原理学习https://blog.csdn.net/apple_53311083/article/details/132326228?spm=1001.2014.3001.5501        本文讲述了这个IP核的基本原理和具体参数

二、RAM IP核定制

1、RAM IP核

step1 打开vivado工程，点击左侧栏中的IP Catalog

step2 在搜索栏搜索RAM，找到Block Memory Generator IP核：

        我们知道FPGA中的RAM可以分为DRAM和BRAM，今天我们要用到的时BRAM资源实现RAM，选择图中红色部分框选的IP核，双击打开。

2、IP核定制

step3 Baisc界面定制

①Component Name : IP核名字

②Interface Type : 接口类型，可选Native类型和AXI4类型，这里我们选Native类型

    Memory Type : 存储器类型选择，对于RAM来说有三种可选（还有2种是ROM）：单端口，简单双端口，真双端口，这里我们选择单端口RAM

③ECC Options ：Error Correction Capability，纠错能力选项，单端口 RAM 不支持 ECC。

④Write Enable：字节写使能选项，勾中后可以单独将数据的某个字节写入 RAM 中，这里不使能。

⑤Algorithm Options：算法选项。可选择 Minimum Area（最小面积）、Low Power（低功耗）和 Fixed Primitives（固定原语），这里选择默认的 Minimum Area。

step4 端口定制

        这里因为我们使用是单端口的RAM，所以只需要配置一个端口A就好了，如果使用的是双端口RAM，端口A和端口B需要独立进行配置。

① Memory Size 

        Write Width : 写位宽，这里设置为8

        Read Width : 读位宽，允许和读的位宽不一致，但是要满足一定的比例要求，这里设置和写位宽一致，为8

        Write Depth : 写深度，这里设置为32，这样就等于确定了我们的RAM的大小

        Read Depth : 读深度，由于写位宽+写深度已经确定了RAM的大小，再结合读位宽，这里读深度已经唯一确定（写位宽*写深度/读位宽），这里就是8*32/8 = 32

② Operating Mode : RAM 读写操作模式。共分为三种模式，分别是 Write First（写优先模式）、Read First（读优先模式）和 No Change（保持模式）这里选择Write First模式。

     Enable Port Type：使能端口类型。Use ENA pin（添加使能端口 A 信号）；Always Enabled（取消使能信号，端口 A 一直处于使能状态），这里选择默认的 Use ENA pin。

③ Port A Optional Output Register：端口 A 输出寄存器选项。其中“Primitives Output Register”默认是选中状态，作用是打开 BRAM 内部位于输出数据总线之后的输出流水线寄存器，虽然在一般设计中为了改善时序性能会保持此选项的默认勾选状态，但是这会使得 BRAM 输出的数据延迟一拍，在这里我们只是进行一个简单的例化测试，为了使得我们的效果直观，我们不进行勾选。

④ Port A Output Reset Options：RAM 输出寄存器复位信号选项，这里不添加复位信号，保持默认即可。（注意是对输出寄存器复位，不是对RAM的复位）

⑤ READ Address Change A : 这是对于ultrascale系类的，普通的7系类不适用。

step5 Other Options

① Pipeline Stages within Mux：当使用多个BRAM资源来构成一个较大的RAM时，IP核提供了可选的0~3流水线结构来帮助优化性能，这里我们的RAM很小，一块BRAM（18Kb）就可以实现，所以不需要 。

② Memory Initialization : 内存初始化，简单说就是给RAM进行赋初值，可以有两种方式，一种是通过Coe文件写入，还有一种是直接把RAM赋同一个值，这里我们选择的就是第二种，全部赋值为0 。（也可以两种都不选）

③ ：这里都是一些仿真的打印信息，我们保持默认。

step6 Summary

        基本上所有的IP核设计的最后都会有一个Summary界面来帮助我们进行一个检查回顾，这里我们可以看到使用的是单端口RAM，用到了一个18Kb的BRAM资源，读延迟1个时钟周期，A端口的地址位宽为5 。

        最后我们点OK，逐步完成IP核的生成。

3、IP核例化

step7 例化

        对于IP核的例化来说，找到如下界面（IP Sources）,图中标注了VHDL和Verilog的例化案例，我们以verilog为例

//----------- Begin Cut here for INSTANTIATION Template ---// INST_TAG
ram_v1 your_instance_name (
  .clka(clka),    // input wire clka
  .ena(ena),      // input wire ena
  .wea(wea),      // input wire [0 : 0] wea
  .addra(addra),  // input wire [4 : 0] addra
  .dina(dina),    // input wire [7 : 0] dina
  .douta(douta)  // output wire [7 : 0] douta
);
// INST_TAG_END ------ End INSTANTIATION Template ---------

// You must compile the wrapper file ram_v1.v when simulating
// the core, ram_v1. When compiling the wrapper file, be sure to
// reference the Verilog simulation library.

        把上述的代码赋值出来，进行模块例化就可以了。

        设计的顶层代码如下：

module top(
    input clk,               //输入时钟
    input ena,               //ram使能信号
    input wea,               //ram读写选择
    input [4:0]addra,        //读写地址（共用）
    input [7:0]din,         //数据输入

    output [7:0]dout         //数据输出
    );

    ram_v1 ram_u1(
        .clka(clk),
        .ena(ena),
        .wea(wea),
        .addra(addra),
        .dina(din),
        .douta(dout)
    );

endmodule

三、IP核测试

        首先我们需要添加 仿真文件：

`timescale 1ns / 1ns

module tb_ram();

reg clk;           //时钟
reg ena;           //ram使能信号
reg wea;           //ram读写选择,1写，0读
reg [4:0]addra;    //ram地址
reg [7:0]din;      //数据输入
wire [7:0]dout;    //数据输出

initial begin
    clk = 0;
    ena = 0;
    wea = 0;
    addra = 0;
    din = 0;
#30
    ena = 1;
    wea = 1;      //写数据
    repeat(30)begin
    #10
        addra = addra + 1;
        din = din + 1;
    end

    wea = 0;     //读数据
    addra = 0;
    repeat(30)begin
    #10
        addra = addra + 1;
    end
#20
    $finish;
end

always #5 clk = ~clk;

top tb_top(
    .clk(clk),
    .ena(ena),
    .wea(wea),
    .addra(addra),
    .din(din),
    .dout(dout)
);

endmodule

        我们设计的仿真方式如下，首先向0~29地址内写入数据，随着地址每次加1，写入的数据也加1，一共写入30组数据，然后进行读操作，从地址0开始，把数据读出来

         上图完成了写操作，从wea和ena同时拉高开始进行写操作，把数据依次写入RAM。

        上图完成了读操作，从wea拉低开始进行读操作，从地址0开始依次读出之前写入的数据。

        到这里我们就完成了IP核的测试，但是有一个小问题，在进行数据写入的时候，我们的dout已经有了输出的值，这其实是因为我们选择的是写优先模式，输入值被直接驱动到了输出端，如果我们不希望这时候dout有数据，可以设置为读优先模式，或者在写优先模式下通过wea增加一层组合逻辑的判断，这样就能实现我们的设计需求了。